El efecto mariposa se manifiesta también en los enjambres de insectos

La teoría del caos se manifiesta también en los enjambres de insectos, han descubierto investigadores de la Universidad Carlos III y de la Universidad Complutense, ambas de Madrid. Esos enjambres reflejan patrones propios de los sistemas aleatorios y desarrollan en su interior un “caos libre de escalas” que hasta ahora era desconocido.

Una nueva investigación ha comprobado que comportamientos naturales aparentemente caóticos observados en enjambres de insectos muestran patrones similares a los que manifiestan los fenómenos meteorológicos, el movimiento de ciertos cuerpos celestes o la evolución de un ecosistema, entre otros procesos naturales.

Más concretamente, ha descubierto que el “efecto mariposa” descrito por la teoría del caos se manifiesta en enjambres y rebaños de animales, y especialmente en los insectos.

El efecto mariposa es una característica propia de los sistemas caóticos, que son los que presentan un comportamiento dinámico aparentemente aleatorio.

Efecto mariposa

El efecto mariposa señala que cualquier pequeña variación en las condiciones iniciales de un sistema caótico, provoca que sus efectos se amplifiquen a corto y medio plazo.

Eso indica que, en contra de lo que pudiera parecer, un sistema aleatorio contiene patrones: hay un orden incluso dentro del caos.

Un proverbio chino refleja bien este fenómeno cuando afirma: el aleteo de las alas de una mariposa se puede sentir al otro lado del mundo. Inspira así el efecto físico que lleva su nombre para explicar la teoría del caos que describe los patrones ocultos de la naturaleza.

Caos y patrones en enjambres

La nueva investigación, desarrollada por investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) y de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), y publicada en la revista Physical Review E, ha descubierto los patrones ocultos en los comportamientos caóticos de los enjambres que forman los insectos, ya estén en un espacio cerrado o en uno abierto.

Los autores de este trabajo entienden que la formación de enjambres obedece a la tendencia a volar juntos de dos insectos que se detectan el uno al otro y a un potencial armónico, una especie de fuerza tractora que reúne a los insectos siguiendo una constante de proporcionalidad entre fuerza y desplazamiento. Es como el patrón del caos en los enjambres de insectos.

La investigación ha observado también que en estos enjambres se producen cambios de fase entre estados caóticos, que son propios de los sistemas dinámicos aleatorios.

Un cambio de fase ocurre cuando varían drásticamente las condiciones de un sistema, por ejemplo, cuando el agua pasa de estado líquido a sólido al congelarse, explican estos autores.

Cambios de fase

Los investigadores han comprobado al respecto que, para valores bajos del confinamiento, el movimiento de los insectos en el enjambre es caótico (sus movimientos cambian mucho si se varían las condiciones iniciales).

Y que el cambio de fase ocurre cuando el enjambre se divide en varios grupos que, sin embargo, están muy relacionados entre sí, porque hay insectos que pasan de unos a otros.

En la línea crítica entre fases de este cambio, la máxima distancia entre dos insectos del enjambre que sienten la influencia uno del otro es proporcional al tamaño del enjambre, aún si el número de insectos que forman parte de este crece indefinidamente, ha podido determinar esta investigación.

A esta propiedad se la denomina “caos libre de escalas” y no se había descubierto hasta ahora, sostienen los investigadores, que a través de esta investigación han fundamentado su existencia.

Caos libre de escalas

 “Conforme el número de insectos crece, la línea crítica se mueve hacia el confinamiento cero. Lo que ocurre es que la distancia máxima entre dos insectos que todavía sienten su influencia mutua es proporcional al tamaño del enjambre. No importa cuántos insectos metamos en el mismo. Y eso representa una novedad absoluta que hemos descubierto nosotros”, explica Luis L. Bonilla, director del Instituto Gregorio Millán Barbany de la UC3M, en un comunicado.

En concreto, lo que predicen estos matemáticos por medio de simulaciones numéricas es que ciertos enjambres de insectos (concretamente una clase de moscas pequeñas) tienen un comportamiento caótico libre de escalas, lo que se traduce en ciertas leyes de potencia con unos exponentes parecidos a los que se han medido en la naturaleza.

También han elaborado una teoría simplificada de campo medio, que permite el estudio del comportamiento de modelos complejos mediante el uso de aproximaciones que los simplifican. Esta teoría corrobora el cambio de fase de caos libre de escalas en estos comportamientos de los insectos.

Amplias repercusiones

Los autores enfatizan que su trabajo no se limita al mundo de los insectos, porque la formación de rebaños o enjambres es una de las manifestaciones de la llamada “materia activa”, compuesta por algo así como individuos autopropulsados que conforman un todo.

Esta materia activa puede adoptar la forma de un enjambre de insectos, pero también de un rebaño de ovejas, de una bandada de pájaros, de un banco de peces, pero también de las bacterias en movimiento, los melanocitos (las células que distribuyen los pigmentos en la piel) o sistemas artificiales tales como granos o semillas irregulares sacudidos periódicamente.

 “Los mecanismos de formación de rebaños juegan un papel en algunos de estos sistemas, por lo que los resultados que hemos obtenido se pueden vincular con la biología, con el estudio de las células, y más allá, con el estudio de tumores y otras enfermedades”, explica Rafael González Albaladejo, otro de los autores.

Paradojas

Esta investigación desvela al menos dos paradojas. Primera, los insectos, una especie a la que pertenece la mariposa, no pueden escapar al efecto de la teoría del caos que lleva su nombre. Y segunda: la omnipresencia de la mariposa en la naturaleza, incluso como recurso de las matemáticas, contrasta con su progresiva desaparición física, de la que no deja de alertar el biólogo evolutivo y ecologista alemán Josef H. Reichholf. El caos está por todas partes y no deja de sorprendernos.

Referencia

Scale-free chaos in the confined Vicsek flocking model. R. González-Albaladejo, A. Carpio, and L. L. Bonilla. Phys. Rev. E 107, 014209; 17 January DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevE.107.0142092023.DOI: